淺談牛頓第一定律中考查的物理能力

馬俊華

談到牛頓第一定律，相信很多同學都能背得滾瓜爛熟：“一切物體總保持勻速直線狀態(tài)或靜止狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。”但是會背并不代表理解、會用。新《教學大綱》要求高考物理注重對考生能力的考查，下面筆者以牛頓第一定律為例淺析高中物理對考生能力要求的幾個主要方面。

一、理解能力

根據(jù)牛頓第一定律的表述理解力是改變物體運動狀態(tài)的條件，如果物體不受外力或者所受外力的合力為零，那么它的運動狀態(tài)將保持不變。有些同學只是簡單地把物體靜止和運動之間的轉(zhuǎn)換理解為運動狀態(tài)的改變，其實這是片面的，物體運動狀態(tài)發(fā)生改變的情況還包括物體運動速度的大小或方向發(fā)生變化。

例1 運用牛頓第一定律分析，下面說法正確的是（ ）

A.如果一個物體只受恒力作用，那么它的運動狀態(tài)一定不會發(fā)生改變

B.如果一個物體所受合力不為零，那么它的運動狀態(tài)一定會發(fā)生改變

C.如果一個物體所受力的合力為零，那么它一定處于靜止狀態(tài)

D.所有物體的運動方向都與它所受的合力的方向共線

解析：當物體受到恒定的力作用時，它存在一個恒定的加速度，所以它的速度會發(fā)生改變，如拋體運動，故選項A錯誤；物體受到不為零的合力作用時，加速度就不為零，所以它的運動狀態(tài)一定會發(fā)生改變，故B項正確；如果物體受到的合力為零，那么它可能處于靜止狀態(tài)也可能做勻速直線運動，故選項C錯誤；但物體加速度的方向與物體速度的方向不一定相同，如平拋運動，故選項D錯誤。故答案選B。

點評：物體不受力或所受合力為零時只能處于靜止或勻速直線狀態(tài)，只要它所受合外力不為零，它的運動狀態(tài)就會改變。

二、推理能力

牛頓第一定律又叫慣性定律，因為它推導出了慣性的概念。

例2 （2012·新課標全國卷，14）伽利略根據(jù)小球在斜面上運動的實驗和理想實驗，提出了慣性的概念，從而奠定了牛頓力學的基礎(chǔ)。早期物理學家關(guān)于慣性有下列說法，其中正確的是（ ）

A.物體抵抗運動狀態(tài)變化的性質(zhì)是慣性

B.沒有力的作用，物體只能處于靜止狀態(tài)

C.行星在圓周軌道上保持勻速率運動的性質(zhì)是慣性

D.運動物體如果沒有受到力的作用，將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動

解析：物體保持原來運動狀態(tài)不變的性質(zhì)就是慣性，慣性也可以說是物體抵抗運動狀態(tài)改變的性質(zhì)，故選項A正確；如果沒有力的作用，那么物體可能保持靜止，也可能做勻速直線運動，故選項B錯誤；行星在它的運行軌道上做圓周運動，而慣性指的是物體所具有的保持它原來的運動狀態(tài)的性質(zhì)，故選項C錯誤；運動的物體如果沒有受到力的作用，由牛頓第一定律可知，物體將繼續(xù)以同一速度沿同一直線一直運動下去，選項D正確。故答案為AD。

點評：質(zhì)量是衡量慣性大小的唯一標準，不管物體的運動狀態(tài)如何，只要質(zhì)量不變，它的慣性就是恒定的。

三、分析綜合能力

根據(jù)表面現(xiàn)象分析出物體運動狀態(tài)改變的本質(zhì)原因，弄清其中牽涉的物理過程。

例3 如圖所示，在小車上固定一個裝滿水的瓶子，瓶子里面有氣泡。請具體分析小車處在下列狀態(tài)時，氣泡在瓶子中的運動情況：（1）勻速向右時突然停止；（2）保持勻加速或勻減速直線運動。

解析：（1）勻速向右突然停止時，水和氣泡都由于慣性繼續(xù)保持向右運動，但慣性的大小與質(zhì)量有關(guān)，水的質(zhì)量大于氣泡中空氣的質(zhì)量，所以水的慣性大，所以氣泡被水擠到了左側(cè)，氣泡向左運動。

（2）勻加速時運動時，類似于車突然啟動，但水的慣性大，所以氣泡向右運動，同理可得出整個裝置勻減速時氣泡向左運動。

點評：雖然本題問的是氣泡的運動情況，但是由于瓶中所裝水的質(zhì)量遠大于瓶中氣泡的質(zhì)量，因此分析氣泡的運動情況時要考慮水運動情況的影響，分析出水是研究對象是解答本題的關(guān)鍵。

四、實驗?zāi)芰?/p>

能明確實驗?zāi)康?，理解實驗原理和方法，能控制實驗條件，分析實驗現(xiàn)象，處理實驗數(shù)據(jù)。必修一牛頓第一定律課時后面緊接著就是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”課時實驗。

例4 （2016·全國卷綜3）某物理課外小組利用圖a中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系。圖中，置于實驗臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪：輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼。本實驗中可用的鉤碼共有N=5個，每個質(zhì)量均為0.010kg。實驗步驟如下：

（1）將5個鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當厚度的小物快，使小車（和鉤碼）可以在木板上勻速下滑。

（2）將n（依次取n=1，2，3，4，5）個鉤碼掛在輕繩右端，其余N-n個鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行。釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s，繪制s-t圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a。

（3）對應(yīng)于不同的n的a值見下表。n=2時的s-t圖象如圖b所示：由圖b求出此時小車的加速度（保留兩位有效數(shù)字），將結(jié)果填入下表。

（4）利用表中的數(shù)據(jù)在圖c中補齊數(shù)據(jù)點，并做出a-n圖象。從圖像可以看出：當物體質(zhì)量一定時，物體的加速度與其所受的合外力成正比。

（5）利用a-n圖象求得小車（空載）的質(zhì)量為_______kg（保留兩位有效數(shù)字，重力加速度取g=9.8m·s-2）。

（6）若以“保持木板水平”來代替步驟（1），下列說法正確的是_______（填入正確選項的標號）

A.a-n圖線不再是直線

B.a-n圖線仍是直線，但該直線不過原點

C.a-n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大

解析：（3）釋放小車后小車做初速度為零的勻加速直線運動，則有s=at2，選擇圖像上任一點的坐標值代入上式解得：a=0.39m/s2。

（4）利用題表中所給的數(shù)據(jù)在圖c中補齊數(shù)據(jù)點，用描點法可得下圖所示圖線。

（5）運用F=ma可得nmg=（5m+M）a，代入m=0.010kg，n=1，2，3，4，5，以及相應(yīng)的加速度之后可求出小車的質(zhì)量為M=0.45kg。

（6）若以“保持木板水平”來代替步驟（1），即不平衡摩擦力，則由牛頓運動定律，nmg-f=（5m+M）a，f=μ[（5-n）m+M]g，a=nmg/（5m+M）-g。將m=0.010kg，n=1，2，3，4，5，M=0.45kg代入并描點，得到的a-n圖線如上圖所示。

顯然a-n圖線不再過原點，但仍然是直線，直線的斜率增大，選項A錯誤，BC正確。

答案：（3）0.39 （4）如圖所示 （5）0.45 （6）BC

點評：探究物體的加速度與它所受的合外力之間的關(guān)系，應(yīng)采用控制變量法，在保持小車質(zhì)量不變的條件下把細線的拉力看作是合外力，利用所得的紙帶得出加速度。此題嫁接了位移圖象、摩擦力公式及其相關(guān)知識點，增大了考生的解題難度。

（作者單位：山東省肥城市第一高級中學）